Zementmaterial aus Meerwasser gewinnen und dabei Kohlenstoff binden

Beton ist ein unverzichtbares Material in der modernen Welt, wobei Sand und Zement nach Volumen und Gewicht tatsächlich zu den weltweit am meisten produzierten Materialien gehören.

Quelle: Visual Capitalist

Die Herstellung von Zement ist ebenfalls eine sehr energieintensive Tätigkeit. Sie wird außerdem fast ausschließlich mit fossilen Brennstoffen betrieben, was in der Zementproduktion, die für 8 % der weltweiten CO2-Emissionen verantwortlich ist.

Dies ist vergleichbar mit den CO2-Emissionen von Autos und Lieferwagen. die für 10 % der weltweiten Gesamtemissionen verantwortlich sindBeton nachhaltiger zu machen, hätte also eine ebenso große Wirkung, wie alle Autos der Welt in Elektrofahrzeuge umzuwandeln und sie nur mit Ökostrom zu betreiben.

Ein Großteil der Kohlenstoffemissionen bei der Zementherstellung entsteht durch den Abbau, das Brechen, die Verarbeitung und die Raffination der für die Zementherstellung verwendeten Rohstoffe. Wie Kalkstein werden auch kalziumkarbonatreiche Gesteine ​​(CaCO3) abgebaut und mit Ton vermischt, um den Rohstoff für Beton zu gewinnen.

Es gibt möglicherweise eine weitere Quelle für Calciumcarbonat auf der Erde: Meerwasser. Die Ozeane enthalten viele gelöste Mineralien, darunter natürlich Speisesalz (Natrium- und Chlorionen), aber auch Magnesium, Kalzium, Kalium und sogar Metalle, mit insbesondere Uran, das möglicherweise eines Tages aus den Weltmeeren statt aus Uranminen gewonnen wird. Auch in den Ozeanen ist gelöstes CO2 in Form von Carbonationen reichlich vorhanden, was sie zu einer der stärksten Kohlenstoffsenken der Erde macht.

Quelle: Fortschrittliche nachhaltige Systeme

Wissenschaftler der Northwestern University und der CEMEX Innovation Holding AG (Schweiz) untersuchen nun, ob sich dieser Meeresreichtum zur Herstellung von Betonrohstoff nutzen lässt, während gleichzeitig CO2 gebunden und nicht emittiert wird. Ihre experimentellen Ergebnisse veröffentlichten sie in Advanced Sustainable Systems.¹, unter dem Titel "Elektrochemische Abscheidung von Kohlenstoff speichernden Mineralien in Meerwasser für variable elektrochemische Potentiale und Kohlendioxidinjektionen".

Wasserelektrolyse

Wasser (H2O) kann durch Anlegen eines starken elektrischen Stroms in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt werden. Dabei wird üblicherweise ein Katalysator eingesetzt, um die Geschwindigkeit und Effizienz der elektrochemischen Reaktion zu verbessern. Dies ist die Grundlage für die Produktion von grünem Wasserstoff, bei dem der Strom aus erneuerbaren Energien gewonnen wird.

Bei der Durchführung dieses Verfahrens mit nicht reinem Wasser und insbesondere mit Meerwasser kommt es jedoch zu Reaktionen der Elektrolysereaktion auch mit den im Wasser gelösten Mineralien.

Dies ist im Allgemeinen eine unerwünschte Reaktion, da sie Ablagerungen auf den Elektroden verursachen und Energie vom beabsichtigten Ziel der Wasserstoffproduktion ablenken kann.

Durch eine Anpassung der Elektrolysebedingungen könnte diese unerwünschte Nebenproduktreaktion jedoch in eine wertvolle neue Methode zur Herstellung von Calciumcarbonat umgewandelt werden.

Zementherstellung aus Meerwasser

unbegrenzte Supplies

Dies ist nicht unbedingt eine neue Idee, da sowohl CaCO3 als auch Magnesium aus Meerwasser unzählige Anwendungsmöglichkeiten in der Bau-, Fertigungs- und Umweltsanierungsindustrie haben, einschließlich der Herstellung von Beton, Zement, Putz, Farben und Füllstoffen.

Da die riesigen Ozeane, die die Erde bedecken, einen praktisch unbegrenzten Vorrat dieses Materials bieten würden, gilt dies als die nachhaltigste potenzielle Quelle dieser Materialien.

Bisher hat die reine Elektroreduktion dieser Mineralien keine praktikable Methode für ihre wirtschaftliche Gewinnung aus Meerwasser ergeben. Hier setzten die Forscher der Northwestern University einen entscheidenden Schritt ein: Sie fügten dem Prozess CO2 hinzu.

Injektion von CO2 in Meerwasser

Da Meerwasser eine komplexe Mischung aus zahlreichen Mineralien ist, kommt es bei der Anwendung der Elektrolyse gleichzeitig zu einem Netz elektrochemischer Prozesse, angefangen von der Ausfällung von Kalzium- und Magnesiumionen bis hin zur Bildung von Gips aus Sulfaten, der Erzeugung von Chlor- und Wasserstoffgas sowie einer Änderung des Säuregehalts um jede Elektrode herum.

Quelle: Fortschrittliche nachhaltige Systeme

Die CO2-Einspritzung erhöht die Komplexität, da sie den pH-Wert des Meerwassers senkt. Der pH-Abfall durch CO2 wird teilweise durch die Produktion von OH− -Ionen aus der elektrischen Energie kompensiert.

Die Auflösung oder Ausfällung von Calciumcarbonat hängt vom Säuregehalt des Wassers ab. Dieses Phänomen bereitet Wissenschaftlern Sorge, denn mit zunehmendem CO2-Gehalt der Atmosphäre werden auch die Ozeane saurer.

Wenn der elektrische Strom und damit die OH− -Ionenproduktion stark genug sind, kann er hoch genug sein, um den pH-Wert über 8.5 zu halten.

Bei diesem Säuregehalt fangen die chemischen Reaktionen das CO2 ein und wandeln es in gelöste Bicarbonat-Ionen (HCO3-) um.

Quelle: Fortschrittliche nachhaltige Systeme

Diese Bicarbonat-Ionen reagieren dann mit Calcium und bilden Calciumcarbonat, den Grundstoff für die Betonherstellung.

Optimierung der Kohlenstoffbindung

Bei dieser Art von Reaktion würde bei der Herstellung von für die Zementindustrie nutzbarem Calciumcarbonat das eingespeiste CO2 gebunden, anstatt CO2 in die Atmosphäre auszustoßen.

Für jede Leistungsstufe gibt es eine optimale Durchflussrate des eingespritzten CO2, die den Energieverbrauch minimiert und gleichzeitig die Mineralproduktionsausbeute maximiert. Eine CO0.30-Konzentration von 2 sccm schien ein solcher optimaler Wert zu sein, bei dem auch bei niedrigerer Leistung eine hohe Mineralausfällungsmenge erreicht wird.

Quelle: Fortschrittliche nachhaltige Systeme

Erstellen einer nutzbaren Einzahlung

Ein Problem bei der industriellen Umsetzung dieses Konzepts ist das gleiche Problem, das bei der Calciumcarbonatfällung während der Wasserstoffproduktion durch Elektrolyse auftritt.

In den meisten Fällen verstopft die Kalkablagerung die Oberfläche der Elektrode, wodurch das Gesamtsystem beschädigt wird und mit der Zeit an Effizienz verliert.

Die in diesem Experiment verwendeten höheren Leistungsstufen führten jedoch in Kombination mit der CO2-Injektion zu zusätzlichen Reaktionen, die dazu führten, dass sich das ausgefallene Calciumcarbonat von der Elektrode löste.

Insgesamt könnte mit dieser Methode das Karbonat so hergestellt werden, dass es sich leicht als Mineralablagerung am Boden des Tanks sammeln lässt, ohne die Elektrode zu verstopfen.

Züchten von Mineralkristallen

Je nach Bedingungen bilden sich unterschiedliche Mineralaggregate mit unterschiedlichen Kristallzuständen, insbesondere Calciumcarbonatkristalle (Calcit und Aragonit) und Magnesiumkristalle (Brucit).

Quelle: Fortschrittliche nachhaltige Systeme

Insgesamt kann das resultierende Material aus mehreren Zentimetern langen Kristallen (1–2 Zoll) bestehen und ist zudem sehr porös.

Die Zusammensetzung, Porosität und Größe der mit dem vorgeschlagenen Ansatz synthetisierten Zuschlagstoffe entsprechen den aktuellen Standards für ihre Verwendung in Materialien wie Beton.

Fazit

Insgesamt beweist diese Veröffentlichung, dass die Herstellung von kohlenstoffnegativem Zementmaterial nicht nur eine theoretische Möglichkeit ist, sondern eine praktikable Option darstellt, wenn bei der Elektrolyse von Meerwasser Kohlenstoff eingespritzt wird.

Andere kritische Parameter wie Härte und Abriebfestigkeit müssen noch untersucht werden, um die Eignung des resultierenden Materials für Bauprojekte vollständig bestätigen zu können.

Dieser Prozess ist grundsätzlich skalierbar und weist keine offensichtlichen Einschränkungen durch die Verfügbarkeit seltener Materialien, einen übermäßigen Energieverbrauch oder geringe Erträge auf.

Durch die Vorstellung eines Netzwerks miteinander verbundener, skalierbarer Reaktoren hat dieser Ansatz das Potenzial, im industriellen Maßstab eingesetzt und in die bestehende Infrastruktur, beispielsweise in Industrieanlagen an der Küste, integriert zu werden.

Weitere Fortschritte im Reaktordesign sollten die Gesamtwirtschaftlichkeit und Energieeffizienz steigern können, beispielsweise durch die Optimierung der Elektrodengeometrie, der Materialien und der Strömungsdynamik.

Letztlich könnte das Wasser, aus dem das Calciumcarbonat extrahiert wurde, möglicherweise auch ein interessantes Material für einen zweiten Schritt der Wasserstofferzeugung aus Meerwasser sein, da die geringere Ionenkonzentration dazu beitragen sollte, die Probleme im Zusammenhang mit Mineralablagerungen auf der Elektrode zu verringern.

In nachhaltigen Zement investieren

CRH Plc

Als einer der weltweit führenden Zementproduzenten wird CRH maßgeblich dazu beitragen, den Zementbau zu einer nachhaltigeren Branche zu machen. Das Unternehmen ist sowohl auf dem US-amerikanischen als auch auf dem europäischen Markt die Nummer 1 hinsichtlich des Gesamtvolumens an Baumaterialien.

Das Unternehmen ist in 28 Ländern und 3,390 Standorten aktiv und beschäftigt 78,500 Mitarbeiter. CRH Americas erwirtschaftet 65 % seines weltweiten Umsatzes.

Quelle: CRH

Das Unternehmen geht davon aus, dass die kräftigen Investitionen westlicher Regierungen in die Infrastruktur sein Geschäftswachstum begünstigen werden. Auch die Trends zur Reindustrialisierung und zur Inlandverlagerung der Hightech-Produktion dürften hilfreich sein.

Nachhaltigkeit

CRH hat mit einer Reihe von Initiativen erhebliche Fortschritte im Bereich Nachhaltigkeit erzielt:

• Es handelt sich um den größten Recycler Nordamerikas, der im Jahr 1 43.9 Millionen Tonnen Abfall und Nebenprodukte aus anderen Industrien recycelt hat.
• Dank der Verwendung von 2 % alternativer Brennstoffe in seinen Zementwerken konnte das Unternehmen seine CO8-Emissionen bis 2023 um 36 % reduzieren.
• Ziel ist eine Reduzierung der Emissionen um 30 % bis 2030 (im Vergleich zu den Emissionen im Jahr 2021).

Dies ist an sich lobenswert, kann jedoch als zu wenig und zu spät angesehen werden.

Glücklicherweise ist CRH auch ein Treiber grundlegenderer Veränderungen in der Branche. Insbesondere Das Unternehmen hat zusammen mit dem europäischen Betongiganten Holcim 75 Millionen Dollar in das kohlenstoffarme Zementunternehmen Sublime investiert..

Erhabene Systeme wurde 2020 aus dem MIT ausgegründet, um mithilfe eines Elektrolyseurs Zement bei Raumtemperatur herzustellen und so energie- und fossilbrennstoffintensive Brennöfen zu ersetzen. Es ermöglicht zudem die Verwendung von Kalziumquellen als Ausgangsmaterial und vermeidet so die CO2-Freisetzung beim Kalksteineinsatz.

Die Eröffnung der ersten kommerziellen Anlage von Sublime in Holyoke, Massachusetts, ist für 2026 geplant. Bei Erfolg könnte dies die Zementindustrie grundlegend verändern und den Weg für skalierbaren emissionsarmen Beton ebnen.

„Sublime ist eine bahnbrechende Kraft in der Zementherstellung. Seine einzigartige Technologie durchdringt den gesamten Produktionsprozess, von der Nutzung sauberer Elektrizität bis hin zu kohlenstofffreien Rohstoffen. Wir sind von seinem Potenzial begeistert und freuen uns, gemeinsam daran zu arbeiten, es in großem Maßstab auf den Markt zu bringen. Diese Investition steht voll und ganz im Einklang mit Holcims Strategie, die Dekarbonisierung des Bauwesens durch die Skalierung der innovativsten Technologien zu beschleunigen.“

Officer Nollaig Forrest – Nachhaltigkeitsbeauftragter von Holcim

CRH investierte auch in andere Startups im Bereich Dekarbonisierung und Nachhaltigkeit:

• 23.7 Millionen Euro ein Cool Planet Technologien, Entwicklung von Lösungen zur Kohlenstoffabscheidung für Industrien, deren Dekarbonisierung traditionell schwierig war.
• 34.7 Mio. USD von CRH und anderen Investoren in Carbon Upcycling-Technologien, wobei eine vollelektrische Mineralisierungslösung zur dauerhaften Speicherung von CO2 in industriellen Nebenprodukten und Mineralien wie Zement, Kunststoffen, Konsumgütern, Düngemitteln und Arzneimitteln verwendet wird.
• AICrete, eine „Rezept-as-a-Service“-Plattform, die mit lokalen Betonherstellern zusammenarbeitet, lokale Materialien optimiert und die Menge des verwendeten Zements mithilfe von KI-Analysen minimiert, wodurch sowohl der CO2-Fußabdruck als auch die Kosten der Betonproduktion reduziert werden.
• Bei der Finanzierungsrunde B von FIDO AI handelt es sich um ein Startup, das KI nutzt, um den Wasserverbrauch zu senken und Wassereinsparungen zu erzielen.

Insgesamt ist CRH ein profitabler Marktführer in der Betonindustrie und bereitet sich sehr aktiv auf die Dekarbonisierung der Branche vor, sowohl direkt in bestehenden Anlagen als auch als Hauptkapitalgeber für innovative Startups, die die nächste Generation der Zement- und Betonproduktionstechnologie entwickeln.

Aktuelles zu CHR

Zitierte Studien:

^{1. Devi, N., Gong, X., Shoji, D., Wagner, A., Guerini, A., Zampini, D., Lopez, J. und Rotta Loria, AF (2025). Elektrodeposition von kohlenstoffspeichernden Mineralien in Meerwasser für variable elektrochemische Potentiale und Kohlendioxidinjektionen. Fortgeschrittene nachhaltige Systeme, 9(3), 2400943. https://doi.org/10.1002/adsu.202400943}